2 500 K高温稳定碳氢燃料燃烧环境CARS测量试验

王朝宗，白冰，齐新华, *，陈爽

1.中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，绵阳 621000 2.空气动力学国家重点实验室，绵阳 621000

中国空气动力研究与发展中心（China Aerodynamics Research and Development Center，CARDC）设备设计与测试技术研究所光谱诊断实验室基于小分子碳氢燃料体系在国内首次搭建了最高温度可达2 500 K的高温稳定层流燃烧便携试验系统，并于2022年5～8月使用相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，CARS）火焰温度测量技术完成了宽范围温度环境的测量试验，多工况的温度测量结果位于1 713～2 530 K的宽温度（约800 K）范围内。

温度高于2 300 K的高温环境多出现于先进的航空航天发动机燃烧室，此类燃烧环境均有较为复杂的热管理或热防护设计。对于实验室量级的测温技术研究和发展，此类燃烧环境有2个难点：一是实现成本和难度较大，二是燃烧流动过程较为复杂。目前公开文献少有实验室量级、稳定性高、工作时间长、实现方式便捷且温度高于2 300 K的燃烧环境的报道。此次试验基于McKenna平面火焰预混燃烧器，以甲烷作为燃料、氧气/氮气混合气作为氧化剂，以预混形式进入燃烧器集气腔，通过调节当量比和预混气中不参与化学反应的氮气占比实现不同燃烧温度。CARS温度测量系统如图1所示。采用非稳腔空间增强探测（USED）的相位匹配方式，将泵浦光和探测光整形为环形光束，并与Stokes光聚焦于测试燃烧器炉面上方流场被测位置，通过带有ICCD阵列的光谱仪采集CARS信号，采用CARSCF计算程序对光谱进行多参数拟合，最终得到测点温度。

图1 CARS温度测量系统

表1给出了7种工况的状态参数和距离炉面3个不同高度测点的温度测量结果。测点1～3的高度分别为5、10和15 mm。前3个工况是为验证测温技术而对已报道工况的重复，后4个工况则是为实现更高温度而自行设计的。通过设计匹配多变量之间的相互关系、调整当量比以及氧气的含量，此次试验实现了高达2 500 K的稳定层流燃烧环境，表中7种工况、3个测点的21个温度测量结果在200 s内的温度波动低于5%。表中提供的温度环境（特别是高于2 300 K的温度环境）可以为抗高温材料定量考核、高温温度测量技术校准与验证、高温燃烧机理研究及高效实验室研究环境提供方便。

表1 不同工况状态参数及 CARS 温度测量结果